基于壓電纖維復(fù)合材料的柔性仿生魚尾研究.pdf

1、仿生機(jī)器魚具有良好的機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和低噪聲等特點(diǎn)，在民用和軍用的水下航行器領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)外研究人員提出并研究了多種不同結(jié)構(gòu)特征的魚尾，為其在軍用或民用水下航行器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)的柔性仿生魚尾的研究工作才剛剛起步，加大柔性仿生魚尾關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)發(fā)展仿生魚技術(shù)具有重要意義。
　　區(qū)別于電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)仿生魚，本文以壓電纖維復(fù)合材料(Macro Fiber Composite，MFC)為柔性驅(qū)動(dòng)材料

2、，以振動(dòng)應(yīng)用為基礎(chǔ)，分別以擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)以及波動(dòng)運(yùn)動(dòng)為推進(jìn)模式，開展了柔性仿生魚尾的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、性能仿真、復(fù)合材料制備和實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)擺動(dòng)推進(jìn)模式和扭轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的仿生魚尾進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了微型魚的快速運(yùn)動(dòng)。
　　本文主要內(nèi)容包括：
　　1.根據(jù)魚的運(yùn)動(dòng)模式，對(duì)推進(jìn)模式的分類進(jìn)行了分析。通過對(duì)智能材料在柔性仿生機(jī)器魚中應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)，指出了MFC適合作為柔性仿生魚尾的驅(qū)動(dòng)材料，給出了MFC誘發(fā)彈性基體應(yīng)變機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)魚的多種

3、推進(jìn)模式。
　　2.提出了一種以MFC及各向異性材料為基體，以擺動(dòng)模式為推進(jìn)模式的仿鯪魚尾，研究了復(fù)合材料性能對(duì)魚尾擺動(dòng)幅值的影響，發(fā)現(xiàn)相比于各向同性材料，基板和尾鰭為不同性能的復(fù)合材料時(shí)魚尾擺動(dòng)性能最優(yōu)。制備出了符合上述材料性能要求的兩種玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，成功實(shí)現(xiàn)了仿鯪魚尾的推動(dòng)應(yīng)用，最大推力為12.5mN，最快前進(jìn)速度約為40mm/s，最快后退速度約為20mm/s。
　　3.提出了一種采用扭轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的變截面尾鰭柔

4、性仿生魚尾，利用解析與數(shù)值方法研究了尾鰭的振動(dòng)特性，分析了柔性變截面尾鰭的固有頻率與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，系統(tǒng)地研究了魚尾在空氣和水中的扭轉(zhuǎn)特性。設(shè)計(jì)了利用MFC驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料層合板，探討了它的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與扭轉(zhuǎn)性能。通過分析魚尾在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的水動(dòng)力性能，探明了扭動(dòng)模式魚尾產(chǎn)生推力的機(jī)理。最終成功實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)模式的柔性仿生魚尾的應(yīng)用，其最快游速為320mm/s。
　　4.提出了一種采用波動(dòng)推進(jìn)模式的仿金槍魚尾的設(shè)計(jì)方案。以蘭杰文振子的

5、放大原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了變截面魚尾結(jié)構(gòu)；根據(jù)波從波密媒介向波疏媒介傳播無(wú)半波損失的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了由多種不同性能復(fù)合材料構(gòu)成魚尾的行波波動(dòng)運(yùn)動(dòng)；依據(jù)阻尼吸收能量方法，探討了材料的不同阻尼系數(shù)對(duì)魚尾的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的影響，仿真實(shí)現(xiàn)了基于振動(dòng)原理的仿金槍魚尾的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
　　5.針對(duì)MFC的高驅(qū)動(dòng)電壓與柔性仿生魚尾低頻工作的特點(diǎn)，提出了一款帶直流偏置的低頻高壓驅(qū)動(dòng)電源。設(shè)計(jì)了基于PSoC3的多路信號(hào)發(fā)生電路，通過推挽升壓電路與四倍升壓整流電路來實(shí)現(xiàn)